PLC在魚卵孵化系統(tǒng)中的應(yīng)用

伍仕焱

摘要：隨著科技社會(huì)的進(jìn)步，PLC控制系統(tǒng)在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中應(yīng)用的越來越廣泛，PLC控制系統(tǒng)可以時(shí)時(shí)監(jiān)測循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中各項(xiàng)影響水質(zhì)因子的變化，如溶氧、pH、溫度等關(guān)鍵參數(shù)。通過對循環(huán)水孵化冷水魚魚卵系統(tǒng)的介紹，詳細(xì)描述了設(shè)計(jì)原理、控制理念、軟硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的邏輯控制、安全控制、故障報(bào)警顯示，以及通過遠(yuǎn)程電腦如何控制PLC系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：工廠化循環(huán)水;PLC;自動(dòng)控制;孵化系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：S969 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 ?PLC系統(tǒng)概述

隨著我國漁業(yè)的高速發(fā)展，“綠水青山就是金山銀山”的理念已深入人心，養(yǎng)魚的同時(shí)也要注意對環(huán)境的保護(hù)。循環(huán)水系統(tǒng)的建立恰好符合當(dāng)代養(yǎng)魚的理念，既可以把現(xiàn)代化的技術(shù)應(yīng)用于養(yǎng)魚，又可以有效保護(hù)環(huán)境，是現(xiàn)代化養(yǎng)魚的首選。PLC是一種用于工業(yè)自動(dòng)化控制的專用計(jì)算機(jī)，其與電腦的控制程序一樣，采用一類可編程的存儲(chǔ)器用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。通過將PLC控制程序應(yīng)用于循環(huán)水孵化系統(tǒng)中，孵化所需要的關(guān)鍵性指標(biāo)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，提高孵化率，減少人工，降低成本，真正把漁業(yè)推入現(xiàn)代化進(jìn)程。

將s7-200 PLC應(yīng)用于孵化系統(tǒng)中，其工作原理為：通過系統(tǒng)中安裝的電磁閥或者調(diào)節(jié)閥等感應(yīng)探頭傳送回來的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換模塊送到現(xiàn)場控制單元（PLC），經(jīng)過PID運(yùn)算后形成控制信號(hào)，控制信號(hào)再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換模塊返送到現(xiàn)場執(zhí)行單元，對孵化系統(tǒng)的水溫、pH、溶氧進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，達(dá)到自動(dòng)化控制的目的。

2 ?系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)和整體控制方案

2.1 ?工藝設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)工藝，可以提高孵化率、降低魚卵畸形率，節(jié)水且污染小，遵循自動(dòng)化程度高的設(shè)計(jì)理念。主要由孵化槽、機(jī)械過濾器、集水坑、回水泵、滴濾器、上水箱、紫外線濾器、制冷機(jī)等設(shè)備組成，系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)監(jiān)控傳感器由氧氣傳感器、溫度傳感器、pH傳感器、液位傳感器等組成。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)溫度為5℃～8℃，總水流為4 m3/h，每天最大換水量3 m3，水在孵化槽內(nèi)最大停留時(shí)間為12 min，補(bǔ)充的新水為井水。

系統(tǒng)運(yùn)行前，先用pH為4的鹽酸整體消毒，然后用井水稀釋至pH為7以上，最后將消毒水排出系統(tǒng)。選用虹鱒3倍體魚卵作為孵化對象，3倍體魚卵從丹麥購買，經(jīng)消毒后放入系統(tǒng)。工藝流程如圖1所示。

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，首先將井水注入集水坑1中，當(dāng)集水坑1蓄滿水后打開回水泵，回水泵的水先經(jīng)過滴濾器進(jìn)行生物處理后注入到上水箱中，當(dāng)上水箱中的水蓄滿后打開孵化槽的手動(dòng)開關(guān)，上水箱的水經(jīng)過紫外線殺毒后流入孵化槽，孵化槽中的水溢流后通過管道進(jìn)入機(jī)械過濾器，孵化魚卵產(chǎn)生的卵膜等雜質(zhì)在機(jī)械過濾器中被過濾掉，然后被排出系統(tǒng)外，最后水再次回流到集水坑1，完成一次循環(huán)。

2.2 ?系統(tǒng)的整體控制方案

本套孵化系統(tǒng)以PLC為核心，利用傳感器自動(dòng)檢測系統(tǒng)當(dāng)中的水溫、水位、溶氧、pH，以上監(jiān)測的數(shù)據(jù)均為模擬量，因此采用PLC的A/D轉(zhuǎn)換模塊收集模擬數(shù)據(jù)，再轉(zhuǎn)換成具體的數(shù)據(jù)反饋給PLC，PLC根據(jù)傳感器收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后讓系統(tǒng)中的設(shè)備執(zhí)行參數(shù)命令，使其與系統(tǒng)的設(shè)定值達(dá)到一致。PLC通過采集輸入和輸出點(diǎn)的信號(hào)監(jiān)控安裝在系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備，并在顯示面板上用具體的數(shù)字顯示出來。PLC通過控制安裝在系統(tǒng)內(nèi)的控制單元完成系統(tǒng)的自動(dòng)化控制。系統(tǒng)整體方案如圖2所示。

可以通過PLC控制面板查看報(bào)警的種類，并根據(jù)實(shí)際情況處理相關(guān)問題。綜上所述，PLC在這個(gè)系統(tǒng)中起到了各功能監(jiān)測保護(hù)、系統(tǒng)故障診斷、自動(dòng)化控制等重要作用。

3 ?控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 ?系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用的是西門子PLC S7-200作為控制核心，控制系統(tǒng)包括總控制柜、分布控制柜、儀器儀表等，用于控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行。同時(shí)配備了3個(gè)EM231熱電偶模塊、3個(gè)EM231模擬量輸入模塊、3個(gè)EM232模擬量輸出模塊、1個(gè)EM223數(shù)字量輸入輸出模塊，可滿足控制系統(tǒng)的要求。系統(tǒng)中還安裝了1個(gè)pH傳感器、1個(gè)溫度傳感器、2個(gè)液位傳感器、1個(gè)氧氣傳感器12個(gè)電磁閥、1臺(tái)循環(huán)泵、1個(gè)流量計(jì)、1臺(tái)制冷機(jī)、1臺(tái)機(jī)械過濾器、1個(gè)報(bào)警器、1個(gè)西門子觸摸屏等其他輔助設(shè)備[1]。

3.2 ?PLC系統(tǒng)輸入/輸出

本系統(tǒng)一共設(shè)計(jì)了16個(gè)數(shù)字量輸入、21個(gè)數(shù)字量輸出、13個(gè)模擬量輸入、2個(gè)模擬量輸出。輸入/輸出簡圖如圖3所示。

3.3 ?系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

此套孵化系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)由以下部分組成：主程序1個(gè)和初始化子程序9個(gè)，包括子程序1集水坑1水位;子程序2機(jī)械過濾器反沖洗;子程序3注入新水;子程序4上水箱水溫調(diào)節(jié);子程序5溶氧調(diào)節(jié);子程序6PH調(diào)節(jié);子程序7故障報(bào)警及顯示;子程序8中斷程序1;子程序9中斷程序2。

系統(tǒng)主程序開始運(yùn)行時(shí)，首先檢檢測集水坑1中的水位，水位低于開啟回水泵的液位，系統(tǒng)中的回水泵就停止工作并報(bào)警;如果水位正常，回水泵正常啟動(dòng)。接下來依次開啟集水坑1水位、新水注入子程序、機(jī)械過濾器反沖洗子程序、水溫控制子程序、溶氧控制子程序、pH控制子程序。各子程序之間相互獨(dú)立、互不干擾。系統(tǒng)有手動(dòng)和自動(dòng)兩種模式，當(dāng)電控柜上的控制旋鈕處于某項(xiàng)子程序自動(dòng)控制狀態(tài)時(shí)，PLC執(zhí)行自動(dòng)控制程序;當(dāng)控制旋鈕處于某項(xiàng)子程序的手動(dòng)控制狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)持續(xù)執(zhí)行手動(dòng)狀態(tài)的命令，直到系統(tǒng)中的某項(xiàng)輸出值達(dá)到報(bào)警值，此時(shí)報(bào)警響起，并在PLC面板上顯示哪個(gè)設(shè)備報(bào)警[2]。

下面以pH控制子程序、水位控制子程序、溫度控制子程序和溶氧控制子程序?yàn)槔v解PLC如何在整個(gè)系統(tǒng)中發(fā)揮作用。

3.3.1 ?pH控制子程序

在集水坑1中安裝有在線式pH傳感器，假如設(shè)定的pH值為7.0，啟動(dòng)值為±0.2，當(dāng)pH傳感器監(jiān)測到pH值>7.2時(shí)（孵化只考慮降低pH），pH傳感器將收集到的信號(hào)經(jīng)PID運(yùn)算后反饋給PLC，PLC再將信號(hào)傳遞給加酸泵，加酸泵向集水坑1中注入稀釋后的鹽酸，當(dāng)pH降低至7.0時(shí)，pH傳感器再次將信號(hào)傳遞給PLC，PLC根據(jù)反饋的信息向加酸泵發(fā)出停止加酸的指令，如此往復(fù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)pH的自動(dòng)調(diào)節(jié)。當(dāng)pH高于或者低于設(shè)定值時(shí)均會(huì)觸發(fā)報(bào)警。

3.3.2 ?水位控制子程序

在集水坑1中安裝有三個(gè)類型的水位傳感器，第一種是當(dāng)集水坑1中水位達(dá)到最低，回水泵停止運(yùn)行并報(bào)警;第二種是水位高于最低位置的水位傳感器但沒有達(dá)到中間水位傳感器的位置，此時(shí)注入新水，不報(bào)警;第三種是水位高于中間位置傳感器，停止加新水;當(dāng)水位高于最高位置水位傳感器時(shí)，高液面報(bào)警。如此往復(fù)實(shí)現(xiàn)水位的自動(dòng)控制。

3.3.3 ?溫度控制子程序

在上水箱中安裝有溫度傳感器，假如設(shè)定溫度值為5℃，啟動(dòng)值為±0.2℃。當(dāng)溫度>5.2℃時(shí)，溫度傳感器將收集到的信號(hào)傳遞給PLC，PLC將啟動(dòng)信號(hào)傳遞給制冷機(jī)，此時(shí)制冷機(jī)啟動(dòng)制冷。當(dāng)溫度達(dá)到5℃時(shí)制冷機(jī)停止制冷;當(dāng)溫度<4.8℃時(shí)，安裝在集水坑1中的加熱棒開始工作，當(dāng)溫度達(dá)到5℃時(shí)加熱棒停止工作。系統(tǒng)中設(shè)置有高溫和低溫報(bào)警，達(dá)到高、低溫報(bào)警的設(shè)定值，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警。

3.3.4 ?溶氧控制子程序

在上水箱中安裝有氧氣傳感器，假設(shè)設(shè)定的氧氣值為9.0，啟動(dòng)值為±0.2，那么當(dāng)溶氧<8.8時(shí)，PLC向加入氧氣的電磁閥發(fā)出指令，此時(shí)開始加入氧氣，當(dāng)氧氣達(dá)到設(shè)定的9.0時(shí)，PLC再次向電磁閥發(fā)出指令，停止加氧。如此往復(fù)完成養(yǎng)殖的自動(dòng)化控制。當(dāng)氧氣達(dá)到高氧或者低氧報(bào)警值時(shí)報(bào)警響起。

4 ?結(jié)束語

本文講述了PLC控制系統(tǒng)在孵化系統(tǒng)中的應(yīng)用，分兩次向系統(tǒng)中放入魚卵，測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)用性。2015年10月放入3倍體虹鱒魚卵65000粒，上浮58200尾，孵化率89.53%;2015年11月放入3倍體虹鱒魚卵65000粒，上浮59000尾，孵化率90.76%。經(jīng)過測試，取得了良好的效果。PLC在工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制，系統(tǒng)穩(wěn)定性高、安全可靠、便于維護(hù)，能夠精準(zhǔn)測量和控制影響孵化過程中的不利因子，提高孵化率和減少畸形率，值得推廣和應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]劉雨青，吳燕翔，吳曉棟.工廠化養(yǎng)殖循環(huán)水處理控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2012（7）：1526-1530.

[2]吳燕翔，胡詠梅，劉雨青.基于PLC循環(huán)水養(yǎng)殖溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2011（20）：4734-4739.